脈管制冷的基本原理是利用高低壓氣體對脈沖管腔的沖放氣而獲得低溫的，它實質(zhì)上是西蒙膨脹制冷的一種形式。
基本型脈管制冷機是1963奶奶由Gifford和Longsworth提出并研制的，系統(tǒng)由壓縮機、切換閥、回熱器、冷端換熱器、導(dǎo)流器、脈沖管和脈沖管封閉端的水冷卻器所組成。壓縮機作為壓力波發(fā)生器，導(dǎo)流器起到防止氣體紊流混合的作用。其制冷工作過程如下：
① 高壓氣體通過被控制的切換閥流經(jīng)回熱器、冷端換熱器、導(dǎo)流器，以層流態(tài)進入脈管，漸次推擠管內(nèi)氣體向封閉端移動，同時使之受到擠壓，沿管長壓力升高，溫度上升，在脈管封閉端達到最高溫度。
② 布置在封閉端的水冷換熱器將熱量帶走，使其管內(nèi)氣體的溫度和壓力因放熱而稍有降低。
③ 切換閥轉(zhuǎn)動使系統(tǒng)內(nèi)氣體與氣源低壓側(cè)連通，脈管內(nèi)的氣體又以層流態(tài)漸次向氣流推移擴張，氣體膨脹降壓而獲得低溫。
④ 切換閥再次轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，從而完成一個循環(huán)。
脈管制冷機采用的工質(zhì)通常為He。脈管制冷機運行時，脈管氣體軸向存在溫度梯度，入口端溫度低，封閉端溫度高，這點與容器內(nèi)絕熱放氣后氣體溫度是均勻的不同。
上面討論的帶有切換閥的基本型脈管制冷機由于氣體在通過閥門時又節(jié)流損失而降低了制冷效率。針對這個問題，吉福特提出了可逆基本型脈管制冷機。它取消了切換閥，而直接以活塞在氣缸內(nèi)往復(fù)運動來產(chǎn)生脈管內(nèi)氣體的壓力波動。
基本脈管制冷機由于外部熱損失打、效率低，所以制冷溫度有限，最低只達到124K。后經(jīng)不斷改進，產(chǎn)生了各種類型的脈管制冷機，如熱聲驅(qū)動的脈管制冷機（用熱聲振蕩產(chǎn)生壓力波驅(qū)動脈管），小孔型脈管、雙向進氣脈管、多級脈管等。目前，單級脈管制冷溫度已達到23.5K，近年來多級脈管的研究也有很大進展。1999年，荷蘭的教授在一臺采用氦3為工質(zhì)的三極脈管制冷機中獲得了1.78K的低溫。 |
